CN105445088B - 动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，包括框架和位于框架内的圆弧形通道，圆弧形通道下方设有用于支撑圆弧形通道的下支撑板支撑，下支撑板下端连接底部支撑板，圆弧形通道包括位于圆弧中间的试样通道和位于试样通道左右两侧的左侧通道和右侧通道，试样通道上方设有顶端限定板，顶端限定板外侧设有冲击荷载加载装置左侧通道和右侧通道内分别设有左传力板和右传力板，左传力板的右端和右传力板的左端分别连接试样通道的左端和右端，左传力板的左端和右传力板的右端分别连接有左加载装置和右加载装置。本发明可以准确模拟围岩及锚固体实际工作环境，还可直观观察和测试静载和动载作用下围岩及锚固体破裂演化过程。
Description
技术领域
本发明涉及动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置。
背景技术
岩石地下工程开挖后洞壁围岩切向应力升高，径向应力降低，应力差增大导致围岩破裂破坏，由于岩体介质的复杂性，在隧洞不同部位围岩破裂演化过程尚未清楚，受复杂地质条件影响及施工因素干扰，现场测试技术尚无法很好揭示这一问题，而室内常规三轴和真三轴试验的对象仅仅为受力状态均匀且相对微小的立方块体，现有模型试验也以全尺度隧洞开挖为主，难以观察围岩破坏演化过程。
另外，锚固技术是抑制围岩破裂、提高围岩强度的最主要措施，是一种对原岩扰动小、施工速度快、安全可靠同时又经济有效的加固技术，在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设、采矿工程等行业中得到广泛的应用，并获得巨大的成功，取得良好的经济效益和社会效益。然而，锚杆设计理论仍不完善，锚杆设计仍依赖经验，关键原因是锚杆的增韧止裂作用机制和效果评估仍缺乏可靠的试验依据，现有广泛应用的锚杆拉拔试验、锚杆加固体三轴或双轴试验均与锚固体实际受力状态相差甚远，造成锚固体失稳破坏机理和锚杆支护效果评估的认识偏差，由此导致已建立的锚固体破坏模型与工程实际不符。
除围岩破裂外，动力冲击破坏(如岩爆)是地下工程中最剧烈、破坏性最大的灾害形式，然而目前对其致灾机理和锚杆支护防冲击工作机制的揭示仍缺乏有效手段，当前的岩爆模拟试验仍以岩块静载压缩或突然卸荷试验为主，无法模拟动力冲击作用诱发岩爆的过程，现有锚杆冲击试验仍是锚杆静载拉拔试验的扩展，与锚杆实际工作环境相差甚远，试验结果的支撑作用有限。
综上，准确模拟围岩及锚固体实际工作环境，直观观察和测试静载和动载作用下围岩及锚固体破裂演化过程对于深入揭示围岩及锚固体破坏机理，建立符合实际的破坏分析模型和设计理论和方法，最大限度地发挥锚杆系统的主动支护能力，对于岩土工程加固技术与理论的发展具有重要科学意义和工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供可以准确模拟围岩及锚固体实际工作环境且可直观观察和测试静载和动载作用下围岩及锚固体破裂演化过程的动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：包括框架和位于所述框架内的圆弧形通道，所述框架的底部设有底部支撑板，所述圆弧形通道包括位于圆弧中间的试样通道和位于所述试样通道左右两侧的左侧通道和右侧通道，所述试样通道与底部支撑板之间为可设置锚杆的中空区域，所述试样通道上方设有顶端限定板，所述顶端限定板外侧上方设有冲击荷载加载装置，所述冲击荷载加载装置在顶端限定板的顶端提供自上向下的冲击荷载，所述左侧通道和右侧通道内分别设有左传力板和右传力板，所述左传力板的右端和右传力板的左端分别连接所述试样通道的左端和右端，所述左传力板的左端和右传力板的右端分别连接有左加载装置和右加载装置。
本发明的有益效果是：左加载装置和右加载装置分别能为试样提供静加载力，该加载力是沿圆弧形通道的方向的，可以真实地模拟围岩及锚固体实际工作环境，试样通道上方的冲击荷载加载装置可以模拟动力冲击作用诱发岩爆的过程，准确模拟围岩及锚固体实际工作环境，直观观察和测试静载和动载作用下围岩及锚固体破裂演化过程对于深入揭示围岩及锚固体破坏机理。
进一步，所述冲击荷载加载装置包括中空的轴套、位于所述轴套内的电磁铁和由磁性金属制成的冲击配重块，所述电磁铁可吸引配重块致使配重块与电磁铁贴紧。
采用上述进一步方案的有益效果是，电磁铁通电时吸引配重块，失电时磁力消失，配重块由试样通道正上方自由落体，对试样通道产生竖直冲击力，满足冲击破坏试验的要求。
进一步，所述轴套内设有定位轴，所述电磁铁可沿定位轴上下滑动，并且可固定在所述定位轴上任意高度。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过调节电磁铁在定位轴上的高度，可以便捷的调节定位。
进一步，所述左传力板与试样通道之间设有左垫块，所述右传力板与所述试样通道之间设有右垫块。
采用上述进一步方案的有益效果是，左右垫块的设置，可以是传力板给试样的力是均匀的，不会因为试样的受力不均而影响试验的准确性。
进一步，所述左传力板底部设有左承载板，所述右传力板底部设有右承载板，所述左承载板和右承载板分别位于所述框架底部的左右两端。
采用上述进一步方案的有益效果是，承载板的设置可以给左右加载装置提供反力装置。
进一步，所述左承载板与地面之间的夹角和右承载板与地面之间的夹角均在10-30度之间。
进一步，所述左加载装置对左传力板施加的力，作用在左传力板的底部，方向沿所述左侧通道的切线向上，同理右加载装置对右传力板施加的力，作用在右传力板的底部，方向沿所述右侧通道的切线向上。
采用上述进一步方案的有益效果是，使左承载板和右承载板与地面之间成一定角度，时为了模拟出沿圆弧形通道方向的加载力。
进一步，所述左加载装置与左传力板之间以及右加载装置与右传力板之间均设有滚珠。
采用上述进一步方案的有益效果是，当加载装置输出加载力时，传力板运动，二者之间的夹角会产生变化，二者之间会产生圆弧径向的摩擦力，设置滚珠可以减小这种摩擦，避免影响试验结果。
进一步，所述左传力板与左侧通道内壁之间以及右传力板与右侧通道内壁之间均设有滚珠排。
采用上述进一步方案的有益效果是，当左右传力板在加载装置的推动下运动时，其与左侧通道或右侧通道的内壁之间存在摩擦力，这个摩擦力可能会减小实际加载在试样上的力，也可能会损坏试验装置，架设滚珠排可以减小摩擦，使试验结果更准确。
进一步，所述顶端限定板包括位于试样通道中部上方的中部限定板和分别位于所述中部限定板两侧的减震板，所述中部限定板与减震板之间均留有间隙。
采用上述进一步方案的有益效果是，将试样通道上方的限定板设置为由中部限定板和减震板组成的方式，是为了防止在冲击荷载作用下冲击力通过中部限定板直接传递到左右垫块处，这样会导致由于切向力的变化而引起的应力不均匀。
综上，本发明可以准确模拟围岩及锚固体实际工作环境，直观观察和测试静载和动载作用下围岩及锚固体破裂演化过程，对于深入揭示围岩及锚固体破坏机理，建立符合实际的破坏分析模型和设计理论和方法，最大限度地发挥锚杆系统的主动支护能力，对于岩土工程加固技术与理论的发展具有重要科学意义和工程应用价值。
此外，本发明还可以进行静荷载作用下围岩、锚固体破坏力学实验，动荷载作用下围岩、锚固体破坏力学实验，静、动荷载作用下围岩、锚固体破坏力学实验等实验。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明左侧通道处的局部示意图；
图3为本发明右侧通道处的局部示意图；
图4为本发明设有锚杆的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、框架，2、中空区域，21、底部支撑板，31、左承载板，32、右承载板，4、试样通道，51、左加载装置，52、右加载装置，61、左传力板，62、右传力板，71、左垫块，72、右垫块，81、轴套，82、配重块，83、电磁铁，84、定位轴，91、中部限定板，92、减震板，10、滚珠，11、滚珠排，12、试样，13、锚杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1-3所示，动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，包括框架1和位于所述框架1内的圆弧形通道，所述框架1的底部设有底部支撑板21，所述圆弧形通道包括位于圆弧中间的试样通道4和位于所述试样通道4左右两侧的左侧通道和右侧通道，所述试样通道4内可放置试样12，所述试样12呈拱形安装在左垫块71和右垫块72之间，与底部支撑板21之间为可设置锚杆13的中空区域2，所述试样通道4上方设有顶端限定板，所述顶端限定板外侧上方设有冲击荷载加载装置，所述冲击荷载加载装置在顶端限定板的顶端提供自上向下的冲击荷载，所述左侧通道和右侧通道内分别设有左传力板61和右传力板62，所述左传力板61的右端和右传力板62的左端分别连接所述试样通道4的左端和右端，所述左传力板61的左端和右传力板62的右端分别连接有左加载装置51和右加载装置52。
所述冲击荷载加载装置包括中空的轴套81、位于所述轴套81内的电磁铁83和由磁性金属制成的冲击配重块82，所述电磁铁83可吸引配重块82致使配重块82与电磁铁83贴紧。
所述轴套81内设有定位轴84，所述电磁铁83可沿定位轴84上下滑动，并且可固定在所述定位轴84上任意高度。
所述左传力板61与试样通道4之间设有左垫块71，所述右传力板62与所述试样通道4之间设有右垫块72。
所述左传力板61底部设有左承载板31，所述右传力板62底部设有右承载板32，所述左承载板31、底部支撑板21和右承载板32依次设置在所述框架1的底部。
所述左承载板31与地面之间的夹角和右承载板32与地面之间的夹角均在10-30度之间。
所述左加载装置51对左传力板61施加的力，作用在左传力板61的底部，方向沿所述左侧通道的切线向上，同理右加载装置52对右传力板62施加的力，作用在右传力板62的底部，方向沿所述右侧通道的切线向上。
所述左加载装置51与左传力板61之间以及右加载装置52与右传力板62之间均设有滚珠10。
所述左传力板61与左侧通道内壁之间以及右传力板62与右侧通道内壁之间均设有滚珠排11。
所述顶端限定板包括位于试样通道4中部上方的中部限定板91和分别位于所述中部限定板91两侧的减震板92，所述中部限定板91与减震板92之间均留有间隙。
实施例2
如图4所示，在实施例1的基础上，所述试样12按试验方案安装有3个锚杆13，所述左承载板31的上表面与左传力板61的下表面平行，上述两个面之间设有左加载装置，左加载装置对左传力板施加的力的方向沿左侧通道的切线方向，同理，所述右承载板32的上表面与右传力板62的下表面平行，上述两个面之间设有右加载装置，右加载装置对右传力板施加的力的方向沿右侧通道的切线方向。
上述两个实施例试验过程如下：
试样预处理，进行锚固体破坏试验时预先安装锚杆，否则，直接进行第二步；
将试样、各个垫块、传力板、固定板安装到位；
将各加载装置安装到位，同时预加载，施加一个较小的力，使试样、传力板、限定板、垫块紧密接触；
开动切向应力加载装置，按预先设计好的应力路径加载，若需要施加动荷载，则在静力稳定后，施加动荷载，直至锚固体(试样)失稳破坏，观察锚固体变形破坏特征；
记录试验数据，分析处理试验结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，包括框架(1)和位于所述框架(1)内的圆弧形通道，所述框架(1)的底部设有底部支撑板(21)，所述圆弧形通道包括位于圆弧中间的试样通道(4)和位于所述试样通道(4)左右两侧的左侧通道和右侧通道，所述试样通道(4)与底部支撑板(21)之间为中空区域(2)，所述试样通道(4)上方设有顶端限定板，所述顶端限定板外侧上方设有冲击荷载加载装置，所述冲击荷载加载装置在顶端限定板的顶端提供自上向下的冲击荷载，所述左侧通道和右侧通道内分别设有左传力板(61)和右传力板(62)，所述左传力板(61)的右端和右传力板(62)的左端分别连接所述试样通道(4)的左端和右端，所述左传力板(61)的左端和右传力板(62)的右端分别连接有左加载装置(51)和右加载装置(52)；所述左加载装置(51)对左传力板(61)施加的力，作用在左传力板(61)的底部，方向沿所述左侧通道的切线向上，所述右加载装置(52)对右传力板(62)施加的力，作用在右传力板(62)的底部，方向沿所述右侧通道的切线向上。
2.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述冲击荷载加载装置包括中空的轴套(81)、位于所述轴套(81)内的电磁铁(83)和由磁性金属制成的冲击配重块(82)，所述电磁铁(83)通电时可吸引配重块(82)致使配重块(82)与电磁铁(83)贴紧，失电时使配重块(82)自由下落冲击所述顶端限定板。
3.根据权利要求2所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述轴套(81)内设有定位轴(84)，所述电磁铁(83)可沿定位轴(84)上下滑动，并且可固定在所述定位轴(84)上任意高度。
4.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述左传力板(61)与试样通道(4)之间设有左垫块(71)，所述右传力板(62)与所述试样通道(4)之间设有右垫块(72)。
5.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述左加载装置(51)底部设有左承载板(31)，所述左承载板(31)的上表面与所述左加载装置(51)垂直，所述右加载装置(52)底部设有右承载板(32)，所述右承载板(32)的上表面与所述右加载装置(52)垂直，所述左承载板(31)和右承载板(32)分别位于所述框架(1)底部的左右两端。
6.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述左承载板(31)上表面与地面之间的夹角和右承载板(32)上表面与地面之间的夹角均在10-30度之间。
7.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述左加载装置(51)与左传力板(61)之间以及右加载装置(52)与右传力板(62)之间均设有滚珠(10)。
8.根据权利要求1所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述左传力板(61)与左侧通道内壁之间以及右传力板(62)与右侧通道内壁之间均设有滚珠排(11)。
9.根据权利要求1至8任一项所述动静荷载下围岩及锚固体力学响应试验装置，其特征在于，所述顶端限定板包括位于试样通道(4)中部上方的中部限定板(91)和分别位于所述中部限定板(91)两侧的减震板(92)，所述中部限定板(91)与减震板(92)之间均留有间隙。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |